香港城市大學Chun-Sing Lee與王立代團隊聯合河南大學黃永偉Adv. Mater.：NIR-II生物窗中共軛小分子對超強光熱理論的合理設計

【引言】

近幾十年來，光熱療法（PTT）利用光吸收劑吸收光能制造局部熱量來消融癌癥的新型療法，且在過去十年取得了巨大進步。對于PTT應用，也已經探索了不同的PTT試劑，包括金納米結構，2D碳材料，過渡金屬二鹵化物（TMDC），2D碳化物和氮化物（MXenes）以及共軛聚合物。 在過去的幾年中，科學家們聚焦巨大的努力來開發具有良好的近紅外（NIR）響應的PTT劑，以實現更深的組織滲透并最小化對健康組織的損害。尤其是NIR-II（1000-1700 nm）活性的PTT劑引起了人們的廣泛關注，這是因為NIR-II與NIR-I（700-1000 nm）相比具有更深的穿透力和更高的允許暴露量。盡管在過去幾年中已經取得了大量的成功，目前報道的NIR-II PTT試劑仍然停留在較低的光熱轉化效率（PCE），且仍遠低于成熟的NIR-I PTT試劑。

到目前為止，所有報道的NIR-II PTT試劑都是無機材料或聚合材料。到目前為止，尚無關于具有NIR-II反應的小分子PTT藥物的報道。與無機和聚合物材料相比，小分子材料通常具有更好的生物相容性，尤其是較高的身體清除率。在過去的幾年中，已采用了各種不同的策略，例如引入分子內電荷轉移（ICT）和具有運動靈活性的分子片段，來增強NIR光熱轉換。然而，這些方法的效果僅限于調節NIR-1窗口中的光收集。因此，非常需要開發新的方法來將這些小分子PTT試劑的反應轉變為NIR-II方案。在過去的幾十年中，具有電子離域和光捕獲性能的共軛小分子已經廣泛應用于有機發光二極管（OLED），有機光伏（OPV）和有機場效應晶體管（OFET）。最近的進展表明了它們在光收集和放大能力方面的優勢，并促進了包括光學生物傳感器，生物成像和光療在內的大量生物醫學應用。當前的開采主要集中在可見區域，這阻礙了它們在深層組織中的應用。近紅外共軛小分子的發展引起了越來越多的關注，特別是光熱分子。然而，在NIR-II窗口中涉及共軛分子的PTT的報道很少，特別是，探索PTT分子的結構-功能關系仍然是一個挑戰。

【成果簡介】

??????? 在這個工作中，通過取代單個原子的分子手術精確地調節了從第一NIR窗口到NIR-II窗口的π共軛小分子的光吸收。利用這種技術，首次展示了吸收峰超過1000 nm的共軛低聚物（IR-SS），其納米顆粒在1064 nm激發下實現了創紀錄的77％的高光熱轉換效率。 納米粒子在體外和體內顯示出良好的光聲響應，光熱治療功效和生物相容性。這項工作制定了提高癌癥治療學在NIR-II窗口中的光收集效率的策略，為推進NIR-II光熱劑的設計和應用邁出了重要的一步。該成果以題為“Rational Design of Conjugated Small Molecules for Superior Photothermal Theranostics in the NIR-II Biowindow”發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

Scheme 1.NIR-II納米熱增強共軛小分子分子手術的示意圖

Figure 1.分子的結構與表征

a）紅外分子的結構

b）四氫呋喃中三個分子的歸一化吸收光譜

c）計算的HOMO和LUMO能級

Figure 2.NP的制備與表征

a）NP的制備過程示意圖

b）NP的TEM圖像

c）NPs分散體的DLS譜

d）三種NPs水溶液的歸一化吸收光譜

e）三種NP分散體在1064 nm輻照10分鐘后的光熱加熱曲線，然后冷卻至室溫

f）三種NPs分散體的紅外成像與輻射時間的關系

g）在1064 nm激光照射10分鐘后，IR-SS NP的光熱性能與濃度的關系

h）在5個開/關循環中，在1 W/cm²的1064 nm激光輻照下，IR-SS NP的光熱穩定性

i）通過線性分析冷卻到室溫，IR-SS NP的光熱性能

j）NIR-II窗口中報告的PTT劑的PCE比較

Figure 3.細胞實驗

a,b）在有或沒有1064 nm激光照射的情況下，用不同濃度的IR-SS NP孵育后，A549細胞（a）和4T1細胞（b）的細胞活力

c）各種處理后A549細胞的活/死圖像

Figure 4.動物實驗

a）1064 nm輻照下不同濃度的IR-SS NP的水分散體的體外PA圖像

b）PA信號與納米顆粒濃度成比例關系

c）在波長為10 mJ/cm²的不同波長的激光照射下，充滿IR-SS NP的毛細管的PA圖像

d）（c）中的PA強度最大值與激發波長的關系

e）功率放大器儀器的照片

f）在808 nm（上一行）或1064 nm以下不同厚度下疊加一塊嵌有IR-TT和IR-SS NPs的毛細管的雞胸組織的超聲圖像（黑白）和PA信號（紅色） nm（下排）激發，能量密度為10 mJ/cm²

g）來自（f）的相應PA強度與組織深度的關系

h）在尾靜脈注射IR-SS NP后不同時間的腫瘤PA圖像

i）（h）中的PA強度繪制為注射后時間的函數

【小結】

在這項工作中，作者首次展示了通過取代單個原子的分子手術，共軛小分子的PTT反應可以廣泛地轉移到NIR-II區。作者通過硒（Se）定制策略設計D-π-A-π-D共軛小分子（IR-TT，IR-TS和IR-SS），以將光收集峰從NIR-1轉移到 NIR-II窗口。將IR-SS分子組裝成納米顆粒（NP）后，IR-SS NP表現出優異的NIR-II光熱轉換效率，可進行更深層的穿透組織的PTT和光聲（PA）成像。體外和體內研究均表明，IR-SS NP在NIR-II窗口中提供了高效的腫瘤消除性能。因此，這項研究為在NIR-II窗口中開發具有高性能癌癥治療學的第一個小分子提供了一種精致的分子手術策略。

文獻鏈接：Rational Design of Conjugated Small Molecules for Superior Photothermal Theranostics in the NIR-II Biowindow. Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202001146

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